冻干机全自动框式进出料装置设计与开发

现代冻干机设备依靠物质的升华原理与真空条件，对处理对象的水分进行冻结，使其升华成水蒸气，进而去除水分，发挥干燥冷冻的作用。冻干制品的含水量低，同时具有良好的复水性，有利于长期运输与储存。医疗行业中使用冻干机的情况极多，包括制备保健品、生物制药以及疫苗等，同时也对冻干机提出了严苛的要求。现有某制药企业所用的冻干机设备有新的设计需求，根据其进出料要求构建新型全自动框式进出料系统。

1 设备简介

某市制药企业现有冻干机设备的进料流程如下：开启冻干箱外侧门，通过手动处理的方式输入物料，最后再关闭箱门。使用这种自动化程度低的冻干机设备时，尤其是在进料环节中，必须有工作人员进行操作，如果未做好安全防护工作，最终产品可能会被污染，整批制品都会出现报废的潜在风险，对公司造成严重的损失。因此需要对该设备进料与出料装置进行改造，尽量减少人为操作，以此来实现对外部污染途径的控制。

手动操作进出料装置被自动卸料平台取代，以此摆脱人工操作，实现自动进料。设备控制系统由触摸屏与PLC共同构成，相比原有的单片机系统更为耐用与稳定，设备可提供人机交互模式，真彩触摸屏的实际分辨率也比较高，参数系统被缩减，所有的操作都变得更为简单。设备出现故障后，还可发出报警信息。

2 进出料装置结构设计

了解该制药企业所用的冻干机的原有进出料装置存在问题之后，可对装置的结构进行重新设计，确保装置本身与电气系统能够保持高度配合，实现无人工干预与全自动化的设计目标，装置可在缺少人工干预的条件下精准地完成出料与送料工作，设备的结构由如下部分构成：进出料门、传送带、推杆、直线型导轨、桥接系统、脱框与套框系统、推瓶杆、气缸、刮板、同步带与伺服电机设备。

图1 设备结构图

该结构系统的运行情况如下：利用机架系统可以将该进出料装置直接与冻干机设备相连接，处于设备的正面位置。进料门与传送带相对设置，固定系统的外侧部位时使用了直线导轨系统，进料推杆被设定到直线导轨系统的前方，推杆中设有真空吸盘，另外的直线导轨可支持出料活动，处于桥接平台装置的正前方区域。直线型出料导轨系统中同样使用了推瓶杆部件，脱框平台处于桥接平台右边，传送带被设置到脱框平台处，除此之外该处还有刮板与脱框气缸，将同步带与刮板两侧紧固连接，输送链系统由伺服电机设备、传动轮与同步带共同构成。框系统处的边框可保持上下翻动的状态，另外后方还设有勾边，翻动边框之后，后方还可开设沟槽。进料系统中传动带与门之间存在桥接平台。设备结构见图1。

机箱单元中设有电气系统，可对进出料装置进行有效支撑，输送线单元的主要输送对象为瓶子，推瓶机构可将产品以平缓的方式移动到滑板与缓存平台处，将瓶子从一条输送线转移到其他输送线时需利用连接转盘机构，堵瓶系统可使不同排的瓶子保持合适的间隙；截瓶机构则帮助拦截瓶子。操作人员在调控该系统时，利用触摸屏来调整与设定参数，对设备运输情况进行监督，最后阶段可利用推框机构推出瓶子，使其被输送到对接平台处[1]。

这种装置设计方式可以使自动装卸料的加工处理工作顺畅展开，进出料节奏加快，除了有效抑制了物料污染问题之外，还不会出现倒瓶的状况，整个系统的安全性也得以提升，减少人力成本，产品合格率超过99%。

3 电气控制系统设计

3.1 控制器

为保障系统形成最高的生产水平并增强其易用性，选择了SIMATIC S7-300控制器，实现对电气系统中的控制需求。相比该系列原有的控制器，该型号功能丰富，整个系统更加稳定，可给进出料装置提供持续化的技术支持，具有模块化的结构，多项功能均已形成可扩展性。

控制器内部组件构成丰富，中央处理器可对用户程序进行有效执行，系统除了有主电源之外，还设有多个备用电源；信号模块支持信号输出与输入活动，与原有系统不同，系统新增了通信模块与工艺模块[2]。该编程控制器内部使用了多种创新技术手段，技术标准也随之更新，生产效率水平提升得极为明显。控制器系统的适用性比较强，使用小型设备时控制器可妥善控制设备运行。

本项目中的进出料装置构造复杂，对运行精准度与速度均有严格的要求，该控制器同样可满足控制应用标准。将可编程控制系统与该控制器无缝集成，强化组态效果，提升组态运行效率，可编程控制系统还帮助形成稳定安全的设计环境，设计者与使用者都可以更多地关注设计产品的过程。产品开发的全过程均可被重视，并行工程建设的目标也可随之达成。

3.2 系统调试

进行系统调试需先完成软件安装的工作，兼顾到所需软件的版本，需要安装伺服驱动器所需的设置性软件，同时还要使用伺服控制器的编程软件，确定其能够适用Compax3 T30、T40版本。考虑T40版本，需对CAM编辑软件进行选择。在运行系统中找出[3S software]-[CoDeSys V2.3]-InstallTarget，直接点击 Open按钮，找出Compax3.tnf按钮，点击 Install按钮，这一操作步骤适合被运用到T40与T30版本中，进行操作之后，可将伺服控制器的软件系统中的库文件有效安装，其使用的下载地址与Codesys相同。除了安装以上软件之外，还需进行帮助软件的安装，将 ServoManager打开，选择[?]-[Help]按键，而后将需要使用的帮助文件一一找出，从网络系统中获取帮助文件，也可运用已有的帮助文件。确定所有的软件都无问题后才可进行后续操作。完成软件安装工作之后，需针对驱动器进行连线操作，而后设定伺服驱动器的基本参数，最后进行编写与调试PLC程序的工作。

在TIA Portal V14软件的基础上，对控制系统的人机界面所需的软件进行了研发，该软件可以给使用者展示数个功能画面，以此支持自动控制或者切换手动控制的功能，除了基础的控制功能之外，软件还能够帮助对进出料系统进行安全控制，采集进出料系统运行期间的各类数据。

应用软件时，应注意设置正确的信号源位置，根据编码的具体线数确定具体对应的长度数值，可调整计数方向[3]。另外参数优化处理工作也必须正常进行，进入优化参数的页面，根据页面提供的具体功能来调整参数，包括定位、点动与回零，惯性测试、参数值观测、I/O模拟等功能。当前使用软件的示波器功能可帮助对两个通道进行检测，完成所有的参数调整工作之后，需对VP进行点击，实现掉电保存需求，将之前的错误操作去除[4]。

3.3 电气控制实现

设计电气控制系统时，需要先确认电机设备的编号与主要功能，在该系统中，1号到11号电机属于网带电机，同时也是变频电机，12号电机属于花盘伺服电机，14号电机属于套框电机，15号电机是推料电机，16号电机是升降电机，19号电机为转盘电机。

进料系统中，灌装机输送出西林瓶，1号、2号、3号与4号网带电机立即启动，花盘电机保持寻零状态。检测到进料传感器M13.0与M12.4之后，12号花盘电机随之启动，在旋转到一定位置后会停止，花盘电机计数准备工作随之结束。5号网带电机与12号花盘电机同时运行，花盘电机完成计数活动之后停止运行，网带电机将会持续运行，抵达目标处之后，停止运转。16号推料电机展开小推控制活动，如检测到进料多瓶时无法继续小推活动，剔瓶后继续，一次小推活动结束。14号套框电机下降到一定位置展开套框活动，下降到位之后，6号电机停止运行，15号推料电机展开大推活动，框抵达一定位置后系统可发出信号，接通 M13.2时，大推活动随着14号套框电机由原来的位置上升，进料理瓶一个回合完成。

出料系统中，堵瓶信号与M13.5保持接通状态时，7号、8号与9号网带电机停止运行。一号冻干机进行出料活动，7号、8号、9号、10号、11号与19号电机运转；二号冻干机进行出料，9号、10号、11号与19号电机启动，M14.5与脱框计数信号接通，9号网带电机设备停止运转；M14.4与脱框到位信号接通，10号网带电机将不再运行，16号升降电机开始上升活动；10号网带电机运转，M14.6与脱框完成信号保持断开状态，16号升降电机向下降；M14.4与脱框到位信号形成断开状态后，9号网电机运行。

4 性能测试

性能测试工作主要围绕产品的机械特性展开，现对进料装置的输送系统的功能、应用工艺与电气控制情况进行测定，并展示测试结果。根据客户提出的设备使用需求，其基本功能必须有效实现，改造时要注重对产品的尺寸进行把控，同时考虑到相关设备如灌装机与包装设备的配合应用需求，确保改造之后的进出料系统仍旧能够被运用到厂房中。有调整与操作需求的设备部件应当被设置到操作人员触手可及的位置，以便确保观察与操作的便捷性。冻干机门前的网带系统必须为可移动的，对接需确保牢固性与简易度，不可受到经常性的移动影响，而出现对接偏移的结果。冻干框的尺寸达标的同时，还需在偏短的一侧使用聚四氟材料，以此来消除冻干隔板与冻干框间的摩擦。箱门与过渡板之间具有较强的联动性，网带展开自动脱框活动时，整体运行状态相对顺畅。

5 总结

本文分析了冻干机进出料过程存在的问题，开发设计了全新的自动化框式进出料系统，该系统的整体结构合理，利用了电气控制技术来控制该系统，选用的控制器与软件均属于可信度较高的品牌型号。对进出料系统的构造与运行情况进行分析后，还详细地阐述了电气控制系统设置与应用状况。该系统可以达到良好的控制效果，在进行了性能测试后确定进出料装置不仅达到预期功能目标，其工艺应用效果与电气控制系统均无问题。这套装置切实地解决了冻干机设备应用过程中的污染隐患，提升了企业生产效益，具备推广使用的价值。